CN102322021A - 大跨度桥梁用减震钢箱梁 - Google Patents

Abstract

一种大跨度桥梁减震(振)用钢箱梁，该钢箱梁充分利用现有大跨度桥梁钢箱梁中用于压重的质量块，将其进行改装设计成减小钢箱梁振动响应的调质阻尼器(TMD)，以减小各类激励下主梁的振动响应。具体方法是将压重质量块悬挂于钢箱梁中部，质量块与上顶板、下底板之间均采用弹簧进行连接，由此构成典型的TMD减震(振)系统。同时为了增强减震(振)效果，将质量块对称分散在箱梁中心线的两侧，以加大侧弯和扭转振动时控制力的力臂。由于质量块设计成TMD系统之后仍具有同样的压重效果，且TMD系统设计简单、造价低，随着大跨度桥梁工程的不断新建，该减震(振)用钢箱梁支座将有着广泛的工程应用前景，产生显著的经济社会效益。

Description

大跨度桥梁用减震钢箱梁

技术领域

本发明涉及一种减震(振)钢箱梁，特别适用于在大跨度斜拉桥、悬索桥等工程结构中采用，以减小结构在地震、风、车辆等作用下的振动响应。

背景技术

风灾、地震等都是常见的自然灾害。近年来，全球气候变化较大，台风、飓风等显得更加猖獗，风灾损失也每年递增。地震也是不断发生，我国自2008年以来就已发生汶川大地震、玉树大地震等，造成了非常惨重的生命财产损失，这其中土木工程结构的损坏和倒塌是损失的主要部分之一。我国当前正处于交通工程建设的蓬勃发展阶段，大量特大跨径桥梁结构体系不断出现，桥梁结构对风、车辆等的作用更加敏感，其振动幅度不断加大，对这些大跨度桥梁进全面合理的减震(振)设计必不可少。

结构振动控制是当前工程界研究的热点之一。为了减小大跨度悬索桥、斜拉桥钢箱梁在各类激励下的振动响应，在空气动力学方面常用的减小风振的方法主要有通过风洞试验选择良好的流线型断面、增加风嘴、增设导流板等，从采用机械阻尼器方面进行减震(振)控制，主要有弹性连接装置、粘滞阻尼器、磁流变阻尼器、调谐质量阻尼器(Toned Mass Dampers，简称TMD)等。其中调谐质量阻尼器就是最常用的类型之一，由于具有简单、经济、减震(振)效果好等优点，已被广泛应用于各类桥梁在强风、列车等作用下的振动控制。

TMD系统可分为设阻尼器和不设阻尼器两种，其基本原理都是利用附属质量块的惯性力。设阻尼器TMD系统实际上是一个附加在主结构上的二阶质量阻尼系统，该系统由质量块、弹簧和阻尼器三部分组成。由于TMD中质量块的振荡与主结构总是保持异相，因此通过TMD系统中的连接弹簧，质量块总能作用一个与主结构质量运动方向相反的惯性力。该质量块便实现了将主结构的能量转移到TMD上。阻尼的作用增大了振动控制的频率范围，从而可抑制主结构的更宽频带的振动。

大跨度悬索桥、斜拉桥等桥梁工程设计过程中，为了保证主塔与主梁结构的线形合理，经常会设置配重梁段。在大跨度斜拉桥当中，当边跨和主跨的比值较小时，配重梁段通常设置在边跨，以确保主塔在恒载下处于直立状态。例如苏通大桥就在两边跨进行了配重，在两边跨靠近主塔部位放置了大量的铁块。因此，若能够充分利用这些用于配重的质量块，通过增加弹簧等进行改造设计，便可实现变废为宝，不仅仍保持了合理的配重，还能够利用TMD系统大幅度降低主梁在各类激励下的振动响应。

随着我国钢铁材料科学研究和生产工作的不断发展，软钢阻尼器的品种越来越丰富，各种高性能新型软钢不断涌现，钢弹簧以及弹簧支座的生产及支座技术也得到了长足的进步，为研制新型环保型的软钢芯橡胶垫—钢弹簧组合支座提供了强有力的技术支撑。上述这些新型材料的价格也逐渐降低，进一步增强了其大范围推广应用的可能性。随着隔减震技术研究和实践工作的不断深入，具有不同特点的组合型隔减震支座将应运而生，以降低结构地震响应，保障人民生命财产安全。

我国当前正处于土木工程建设的蓬勃发展阶段，其中特大跨径悬索桥、斜拉桥以其卓越的跨越能力以及轻型美观等特点，从20世纪90年代中期开始得到了迅速发展，期间先后建成的大跨度悬索桥、斜拉桥数十座。可以预见，随着现代经济和交通运输的迅速发展，具有超强跨越能力的悬索桥、斜拉桥将会有着更为广阔的工程应用前景，其跨度也将越来越大，柔性不断增强，如何减小其主梁结构的振动响应将备受关注。因此，基于TMD系统的大跨度桥梁用减震(振)钢箱梁有着广泛的应用前景，其社会经济效益不可限量。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种大跨度桥梁用减震(振)钢箱梁，其中将现有钢箱梁中的压重质量块改造成调质阻尼器(TMD)系统，以减小钢箱梁的振动响应，同时仍保持同样的压重效。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该钢箱梁包括：顶板、底板、横隔板、等效质量块、弹簧、上连接用钢板、下连接用钢板；其中，由等效质量块、弹簧、上连接用钢板、下连接用钢板共同组成TMD系统，等效质量块位于上连接用钢板、下连接用钢板之间，等效质量块与上连接用钢板之间以及等效质量块与下连接用钢板之间均由弹簧连接；TMD系统的两侧为横隔板，TMD系统中的上连接用钢板与顶板以及横隔板顶部的预埋件用高强螺栓连接，下连接用钢板与底板以及横隔板底部的预埋件用高强螺栓连接。

TMD系统中的等效质量块5由箱梁中用于配重的质量块加上弹簧6改造设计而成，改造之后与改造之前的钢箱梁配重保持相等。

TMD系统以钢箱梁横截面中心线为对称轴分成两部分，对称分布在梁中心线两侧，并尽量使等效质量块远离梁截面中心线，以加大侧弯和扭转振动时控制力的力臂。

质量块的振荡与主结构总是保持异相，因此通过TMD系统中的连接弹簧，质量块总能作用一个与主结构质量运动方向相反的惯性力，使桥梁纵向、横向及扭转位移幅度降低。在一般的小位移(小振)情况下，该系统减震(振)功效不是非常明显，在大位移(中大振)情况下，该TMD系统便发挥了有效的减震(振)作用。

本发明中所采用的弹簧、质量块TMD系统具有构造简单、减震(振)效果好的优点，能达到有效控制桥梁纵横向位移、提高抗扭能力和减小桥梁震害的作用。

有益效果：通过对现有大跨度桥梁钢箱梁中用于压重的质量块进行改装设计，将其进行成减小钢箱梁振动响应的调质阻尼器(TMD)，使得钢箱梁在各类激励下的振动响应大幅下降。改TMD系统设计简单、造价低，且仍具有同样的压重效果，可以说是有百利而无一害。随着国民经济的发展和大跨度桥梁工程的不断新建，该减震(振)用钢箱梁支座必将在跨江、跨海等大型桥梁工程中广泛应用，产生显著的经济社会效益。

附图说明

图1是普通钢箱梁横截面构造示意图；

图2是压重钢箱梁横截面构造示意图；

图3是减震(振)钢箱梁横截面构造示意图；

图4是TMD系统详细构造示意图；

图中有：顶板1；底板2；横隔板3；压重质量块4；等效质量块5；弹簧6；上连接用钢板7；下连接用钢板8。

具体实施方式

本发明的大跨度桥梁用减震(振)钢箱梁包括：顶板1、底板2、横隔板3、等效质量块5、弹簧6、上连接用钢板7、下连接用钢板8；其中，等效质量块5、弹簧6、上连接用钢板7、下连接用钢板8共同组成TMD系统。

TMD系统以钢箱梁横截面中心线为对称轴分成两部分，对称分布在梁中心线两侧；为了防止等效质量块5与横隔板3之间在振动过程中产生碰撞，等效质量块5与横隔板3之间必需预留足够的距离；将等效质量块5对称分散在箱梁中心线的左右两侧，以加大侧弯和扭转振动时控制力的力臂，并尽量使等效质量块5远离梁截面中心线；等效质量块5上下均用弹簧6连接，弹簧6包括上下两部分，上半部分弹簧6与上连接用钢板7连接，下半部分弹簧6与下连接用钢板8连接。

TMD系统中的上连接用钢板7与顶板1以及横隔板3顶部的预埋件用高强螺栓连牢，下连接用钢板8与底板2以及横隔板3底部的预埋件用高强螺栓连牢。

该减震(振)钢箱梁的原理是通过将其中的配置质量块添加弹簧等进行改造设计，形成TMD减震(振)系统；除顶板、底板、横隔板等必要部分外，还包括弹簧、质量块、弹簧安装用钢板，其中TMD减震(振)系统中的质量块与普通钢箱梁的压重质量相等，因而压重效果一样；其中，弹簧、质量块等组成的TMD系统分成两块，对称分布在梁中心线两侧，并尽量远离梁截面中心线。

Claims (3)

1.一种大跨度桥梁用减震钢箱梁，其特征是该钢箱梁包括：顶板(1)、底板(2)、横隔板(3)、等效质量块(5)、弹簧(6)、上连接用钢板(7)、下连接用钢板(8)；其中，由等效质量块(5)、弹簧(6)、上连接用钢板(7)、下连接用钢板(8)共同组成TMD系统，等效质量块(5)位于上连接用钢板(7)、下连接用钢板(8)之间，等效质量块(5)与上连接用钢板(7)之间以及等效质量块(5)与下连接用钢板(8)之间均由弹簧(6)连接；TMD系统的两侧为横隔板(3)，TMD系统中的上连接用钢板(7)与顶板(1)以及横隔板(3)顶部的预埋件用高强螺栓连接，下连接用钢板(8)与底板(2)以及横隔板(3)底部的预埋件用高强螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的大跨度桥梁用减震钢箱梁，其特征是：TMD系统由箱梁中的等效质量块(5)由压重质量块(4)代替，其中等效质量块(5)与压重质量块(4)的质量保持相等。

3.根据权利要求1所述的大跨度桥梁用减震钢箱梁，其特征是：TMD系统以钢箱梁横截面中心线为对称轴分成两部分，对称分布在梁中心线两侧，并尽量使等效质量块(5)远离梁截面中心线，以加大侧弯和扭转振动时控制力的力臂。

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